Enzima clave encontrada en plantas podría guiar el desarrollo de medicamentos y otros productos

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Los investigadores que estudian cómo las plantas desarrollaron las habilidades para fabricar productos químicos naturales, que utilizan para adaptarse al estrés, han descubierto cómo una enzima llamada chalcona isomerasa evolucionó para permitir que las plantas produzcan productos vitales para su propia supervivencia.

La esperanza de los investigadores es que este conocimiento informe la fabricación de productos que sean beneficiosos para los humanos, incluidos medicamentos y cultivos mejorados.

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Las plantas pueden hacer muchas cosas asombrosas. Entre sus talentos, pueden fabricar compuestos que los ayudan a repeler plagas, atraer polinizadores, curar infecciones y protegerse del exceso de temperatura, la sequía y otros peligros en el medio ambiente.

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Investigadores del Instituto Salk que estudian cómo evolucionaron las plantas las habilidades para fabricar estos químicos naturales han descubierto cómo una enzima llamada chalcona isomerasa evolucionó para permitir que las plantas produzcan productos vitales para su propia supervivencia. La esperanza de los investigadores es que este conocimiento informe la fabricación de productos que sean beneficiosos para los humanos, incluidos medicamentos y cultivos mejorados. El estudio apareció en la versión impresa de ACS Catalysis el 6 de septiembre de 2019.

«Desde que las plantas terrestres aparecieron por primera vez en la Tierra hace aproximadamente 450 millones de años, han desarrollado un sofisticado sistema metabólico para transformar el dióxido de carbono de la atmósfera en una miríada de químicos naturales en sus raíces, brotes y semillas»

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 «Esta es la culminación del trabajo que hemos estado haciendo en mi laboratorio durante los últimos 20 años, tratando de comprender la evolución química de las plantas. Nos da un conocimiento detallado sobre cómo las plantas han desarrollado esta capacidad única para producir algunas moléculas muy inusuales pero importantes».

-Joseph Noel, profesor de Salk, autor principal del artículo.

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Investigaciones previas en el laboratorio de Noel analizaron cómo evolucionaron estas enzimas a partir de proteínas no enzimáticas, incluido el estudio de versiones más primitivas de ellas que aparecen en organismos como bacterias y hongos.

Como enzima, la chalcona isomerasa actúa como un catalizador para acelerar las reacciones químicas en las plantas. También ayuda a garantizar que los productos químicos que se producen en la planta tengan la forma adecuada, ya que las moléculas con la misma fórmula química pueden tomar dos variaciones diferentes que son imágenes especulares entre sí (llamadas isómeros).

«En la industria farmacéutica, es importante que los medicamentos que se fabrican sean la versión correcta, o el isómero, porque usar el incorrecto puede provocar efectos secundarios no deseados», dice Noel, quien es director del Centro de Biología Química Jack H. Skirball de Salk. y Proteomics y tiene la silla Arthur y Julie Woodrow. «Al estudiar cómo funciona la chalcona isomerasa, podemos aprender más sobre cómo acelerar la fabricación de los isómeros correctos de productos farmacéuticos y otros productos que pueden ser importantes para la salud humana».

En el estudio actual, los investigadores utilizaron varias técnicas de biología estructural para investigar la forma única de la enzima y cómo cambia su forma a medida que interactúa con otras moléculas. Identificaron la parte de la estructura de la isomerasa de chalcona que le permitió catalizar reacciones increíblemente rápidas al tiempo que se aseguró de que produzca el isómero biológicamente activo adecuado.

Estas reacciones conducen a una serie de actividades en las plantas, incluida la conversión de metabolitos primarios como:

  • la fenilalanina,
  • la tirosina
  • en moléculas especializadas vitales llamadas flavonoides.

Resultó que un aminoácido en particular, la arginina, que era uno de los muchos aminoácidos unidos en la chalcona isomerasa, se encontraba en un lugar, moldeado por la evolución, que le permitía desempeñar un papel clave en la forma en que se catalizaban las reacciones de la chalcona isomerasa.

 

«Al realizar estudios estructurales y modelos informáticos, pudimos ver las posiciones muy precisas de la arginina dentro del sitio activo de la enzima a medida que avanzaba la reacción», dice el primer autor Jason Burke, un ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Noel que ahora es profesor asistente en California. Universidad Estatal de San Bernardino. «Sin esa arginina, no funciona de la misma manera».

Burke agrega que este tipo de catalizador ha sido buscado durante mucho tiempo por los químicos orgánicos. «Este es un ejemplo de la naturaleza que ya está resolviendo un problema que los químicos han estado analizando durante mucho tiempo», agrega.

«Al comprender la chalcona isomerasa, podemos crear un nuevo conjunto de herramientas que los químicos podrán usar para las reacciones que están estudiando«, dice Noel. «Es absolutamente vital tener este tipo de conocimiento fundamental para poder diseñar sistemas moleculares que puedan llevar a cabo una tarea particular, incluso en la próxima generación de cultivos nutricionalmente densos capaces de transformar el dióxido de carbono de gases de efecto invernadero en moléculas esenciales para la vida».

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-Salk Institute. «Key enzyme found in plants could guide development of medicines and other products: How plants are able to efficiently manufacture the compounds they use to adapt to stress.» ScienceDaily. ScienceDaily, 6 September 2019. <www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190906134026.htm>.
-Bifunctional Substrate Activation via an Arginine Residue Drives Catalysis in Chalcone Isomerases. Jason R. Burke, James J. La Clair, Ryan N. Philippe, Anna Pabis, Marina Corbella, Joseph M. Jez, George A. Cortina, Miriam Kaltenbach, Marianne E. Bowman, Gordon V. Louie, Katherine B. Woods, Andrew T. Nelson, Dan S. Tawfik, Shina C.L. Kamerlin, and Joseph P. Noel. ACS Catalysis 2019 9 (9), 8388-8396 DOI: 10.1021/acscatal.9b01926

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Publicado por Kharen Guardiola

Vlogger de la Ciencia Etuber Difusora Científica Egresada en Biotecnología Genómica Estudiante de Lenguaje y Producción Audiovisual.

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